Spijsvertering in glaswerk

Het spijsverteringskanaal heet niet voor niets zo: het is een buis die door het lichaam loopt. Daarom kan het ook buiten het lichaam lopen - aan de muur bijvoorbeeld. En waarom dan niet in glas?

Het menselijk spijsverteringskanaal is een buis waarin het eten omlaag zakt. Op een enkele plaats zijn in die pijp afsluiters ingebouwd en hier en daar worden er chemicaliën in geloosd die het voedsel afbreken tot voor het lichaam hanteerbare componenten. Om het eten verder te helpen wordt er nu en dan in de buis geknepen, als ware het een tube.

Toegegeven, het is een grove benadering van de werkelijkheid, maar één waar je een eind mee kunt komen. TNO-Voeding in Zeist heeft sinds kort een werkend model van het menselijk maagdarmsysteem in het laboratorium. Opdrachtgevers en buitenlandse televisieploegen tonen grote interesse.

In tegenstelling tot wat je zou verwachten doet het model ook uiterlijk enigszins aan een darmstelsel denken. Het is een reeks door kunststof slangen en flenzen verbonden glazen buizen die, om ruimte te sparen, in een zigzagpatroon is gevouwen. Diverse plastic leidingen dienen op de geëigende plaatsen verterende sappen toe. Ter plaatse van de maag gaat het om maagzuur en maagenzymen. In de dunne darm is het bicarbonaat, om het zuur te neutraliseren, en verder gal en pancreassap. Dat zijn hier geen kunstmatige, maar dierlijke produkten; het pancreassap is gewoon gemalen alvleesklier waaruit eiwitten zijn verwijderd. Als het voor het onderzoek nodig is kan zo'n produkt worden aangepast, bijvoorbeeld door er een enzym aan toe te voegen.

Door het gezoem van de besturende apparatuur heen is af en toe een licht klotsen te horen als de "maagspieren' hun werk doen. Deze worden als volgt nagebootst: de buis waarin het voedsel zit is van flexibele kunststof. Rondom zit een glazen omhulling en de tussenruimte is gevuld met water op lichaamstemperatuur. Eens in de zoveel tijd stijgt de druk van dit water, zodat de inhoud van maag of darm wordt samengeknepen. Doordat dit knijpen en loslaten op verschillende plaatsen in een uitgekiende volgorde gebeurt, ontstaat zowel een mengend als een voortstuwend effect. Ook de darmen van het TNO-model zijn tot deze peristaltische bewegingen in staat. Een en ander wordt door de computer bestuurd, zodat de gang van zaken per proef kan worden geregeld. Dat geldt ook voor het transport van de maaginhoud via de portier naar de twaalfvingerige darm. Dat gaat met kleine beetjes, maar hoe klein die beetjes zijn en hoe frequent ze passeren is afhankelijk van factoren als viscositeit en zuurgraad.

De elektronische besturing van deze processen is één van de eigenschappen die het maagdarmmodel uniek maakt. Een ander punt van trots voor TNOis het feit dat speciaal ontwikkelde pompjes het mogelijk maken om ook dikke prut zoals varkensvoer door het systeem heen te krijgen.

De associaties met echte darmen zijn er, maar verder is het een klinisch en steriel aandoend apparaat. Op het moment van het bezoek is de maaginhoud een kleurloze vloeistof die net zo goed water had kunnen zijn. "Dat is anders als we er bijvoorbeeld havermout of erwtensoep in stoppen; dan gaat de inhoud al gauw op braaksel lijken. En dat is nu eenmaal wat er elke dag in de maag zit,' weet microbioloog Mans Minekus, die het systeem heeft ontwikkeld.

Er is een scala aan experimenten mee mogelijk, waarbij het accent ligt op voedingsonderzoek: waar en hoe verteren voedingsstoffen als eiwitten en koolhydraten? Verder microbiologisch werk: hoe doen bacteriën het in maag en darmen; waardoor floreren ze of gaan ze te gronde? Hoe kun je dat beïnvloeden? Die vraag is relevant voor zowel heilzame yoghurtbacteriën als ziekmakende salmonella's. Ook kunnen er vragen van de farmaceutische industrie worden beantwoord. Waar in het spijsverteringskanaal vallen capsules uit elkaar? Wat gebeurt er onderweg met een geneesmiddel? Wat voor invloed ondergaat het van maagzuur, gal enzovoort? Daarnaast valt te denken aan de lotgevallen van voedseladditieven.

Minekus: "Tot nu toe moest je dit soort gegevens voornamelijk ontlenen aan dier- of mensproeven. Die hebben hun ethische bezwaren en ze zijn duur. In het geval van geneesmiddelen doe je zulke proeven over het algemeen pas als je het nodige weet over de werkzaamheid en de veiligheid van een middel. Dat is dus op een moment dat de ontwikkeling al vrij ver gevorderd is. Met dit model kun je zulke vragen in een veel eerder stadium onderzoeken, onder omstandigheden die specifiek zijn voor de mens. Zo voorkom je dat je werk voor niets doet. Bovendien kunnen we "what if-proeven" doen. Je kunt onderzoeken wat er gebeurt als bijvoorbeeld iemand een extreme maagzuurafscheiding heeft, een snelle maaglediging of een slecht werkende alvleesklier. Dat is bij mensen niet zo eenvoudig.'

Zoals het mogelijk is om mensen met afwijkende eigenschappen te simuleren, zo is het ook mogelijk, door met de knoppen te spelen, om dierlijke spijsvertering na te bootsen. Minekus somt op: "Als je bijvoorbeeld de spijsvertering van een big of een hond wilt simuleren dan pas je factoren aan als de maaltijdfrequentie, het maagledigingstempo, het verloop van de zuurgraad, het type voer en de spijsverteringssappen.' Dat is niet alleen zinvol voor veterinaire toepassingen, maar ook bijvoorbeeld voor fabrikanten van veevoer, die streven naar een optimale benutting van hun produkt door het dier. TNO richt zich vooralsnog op éénmagige dieren en simuleert dus geen herkauwers maar een kalf, dat tijdens de melkvoeding nog niet herkauwt, kan wel. Onder andere moet dan chymosine, een melkstremmend enzym, aan de maagsappen worden toegevoegd.

Een model moet je valideren, zoals dat heet. Benadert het de werkelijkheid voldoende? Minekus: "Die validatie is voor ons een voortgaand proces. Bij elke toepassing moeten we dat opnieuw doen. Veel kunnen we vinden in de literatuur: bijvoorbeeld hoe het verloop van de zuurgraad in het maagdarmstelsel van een bepaalde diersoort moet zijn. Dat is dan weer afhankelijk van de leeftijd en het soort voer. Verder werken we samen met een Franse gastro-enteroloog die bij mensen met slangetjes in maag en darmen op verschillende plaatsen monsters heeft genomen. Zo kun je zien hoe het in de werkelijkheid op een bepaalde plaats is gesteld met de vertering, met de overleving van micro-organismen etcetera. En natuurlijk moet je altijd in je achterhoofd houden dat dit een model is. In vivo is het allemaal veel complexer.' Zo is lediging van de maag via allerlei terugkoppelmechanismen afhankelijk van de vloeibaarheid, de zuurgraad en andere eigenschappen van de voedselbrij. De enzymproduktie is gekoppeld aan de samenstelling van het voedsel. TNOheeft deze zaken tot op zekere hoogte zelf in de hand, maar geautomatiseerd is het niet.

Op het ogenblik is het model het grootste deel van de tijd in bedrijf voor betaalde opdrachten. Vier TNO-ers zijn er full time mee bezig. De projectleider, dierenarts dr. Rob Havenaar: "We moeten de opdrachten zelfs nog wat afhouden. We moeten niet de suggestie wekken dan we alles kunnen.' Zo is het moeilijk om de opname van verteerde voedselbestanddelen door de darmwand na te doen. Het glazen TNO-model heeft een paar doodlopende zijstraten waarin zulk filterwerk wordt uitgevoerd. Een tekortkoming daarvan is nog, dat alleen in water oplosbare stoffen goed worden opgenomen. Wat betreft de afbraakprodukten van vetten schiet het model nog tekort.

Verder ontbreekt voorlopig de dikke darm. Dat is een belangrijk deel van het spijsverteringskanaal, omdat er een rijke microflora in voorkomt. Juist die rijkdom maakt het namaken ervan moeilijk. Een andere bemoeilijkende factor is het feit dat de darminhoud in de dikke darm sterk wordt ingedikt. Het valt niet mee om het overblijvende materiaal dan nog in beweging te houden. Minekus, die inmiddels tweeënhalf jaar aan het model heeft gewerkt, is bezig met de ontwikkeling van een dikke darm. Havenaar en hij verwachten daar nog een jaar of twee voor nodig te hebben. "We gaan door tot het potje,' zegt Havenaar vol goede moed.